Некоторые единицы измеренияПравить
В этой статье раскроем тему электропроводности, вспомним о том, что такое электрический ток, как он связан с сопротивлением проводника и соответственно с его электропроводностью. Отметим основные формулы для вычисления данных величин, коснемся темы скорости тока и ее связи с напряженностью электрического поля. Также затронем связь электрического сопротивления и температуры.
Для начала вспомним о том, что же такое электрический ток. Если поместить вещество во внешнее электрическое поле, то под действием сил со стороны этого поля, в веществе начнется движение элементарных носителей заряда — ионов или электронов. Это и будет электрическим током. Сила тока I измеряется в амперах, и один ампер — это ток, при котором через поперечное сечение проводника протекает за секунду заряд, равный одному кулону.
Ток бывает постоянным, переменным, пульсирующим. Постоянный ток не меняет своей величины и направления в каждый конкретный момент времени, переменный ток с течением времени меняет свои величину и направление (генераторы переменного тока и трансформаторы дают именно переменный ток), пульсирующий ток меняет свою величину, но не меняет направления (например выпрямленный переменный ток является пульсирующим).
Вещества имеют свойство проводить электрический ток под действием электрического поля, и это свойство называется электропроводностью, которая у разных веществ различна. Электропроводность веществ зависит от концентрации в них свободных заряженных частиц, то есть ионов и электронов, не связанных ни с кристаллической структурой, ни с молекулами, ни с атомами данного вещества. Так, в зависимости от концентрации в веществе свободных носителей заряда, вещества по степени электропроводности подразделяются на: проводники, диэлектрики и полупроводники.
Наиболее высокой электропроводностью обладают проводники электрического тока, и по физической природе, проводники в природе представлены двумя родами: металлами и электролитами. В металлах ток обусловлен перемещением свободных электронов, то есть проводимость у них электронная, а в электролитах (в растворах кислот, солей, щелочей) — перемещением ионов — частей молекул, имеющих положительный и отрицательный заряд, то есть проводимость у электролитов ионная. Ионизированные пары и газы отличаются смешанной проводимостью, в них ток обусловлен движением и электронов и ионов.
Электронная теория отлично объясняет высокую электропроводность металлов. Связь валентных электронов с их ядрами в металлах слаба, потому эти электроны свободно перемещаются от атома к атому по объему проводника.
Получается, что свободные электроны в металлах заполняют пространство между атомами подобно газу, электронному газу, и находятся в хаотичном движении. Но при внесении металлического проводника в электрическое поле, свободные электроны станут двигаться упорядоченно, они переместятся по направлению к положительному полюсу, чем создадут ток. Таким образом, упорядоченное движение свободных электронов в металлическом проводнике называется электрическим током.
Известно, что скорость распространения электрического поля в пространстве примерно равна 300000000 м/с, то есть скорости света. Это та же скорость, с которой ток проходит по проводнику.
Что это значит? Это не значит, что каждый электрон в металле движется с такой огромной скоростью, электроны в проводнике напротив — имеют скорость от нескольких миллиметров в секунду до нескольких сантиметров в секунду, в зависимости от напряженности электрического поля, а вот скорость распространения электрического тока по проводнику как раз равна скорости света.
Все дело в том, что каждый свободный электрон оказывается в общем электронном потоке того самого «электронного газа», и во время прохождения тока, электрическое поле оказывает действие на весь этот поток, в итоге электроны непрерывно друг другу передают это действие поля — от соседа к соседу.
Но движутся электроны на своих местах очень медленно, несмотря на то, что скорость распространения электрической энергии по проводнику оказывается огромной. Так, когда на электростанции включают рубильник, ток мгновенно возникает во всей сети, а электроны при этом практически стоят на местах.
Однако, когда свободные электроны движутся по проводнику, они испытывают многочисленные столкновения на своем пути, они сталкиваются с атомами, ионами, молекулами, передавая им часть своей энергии. Энергия движущихся электронов, преодолевающих такое сопротивление, частично рассеивается в виде тепла, и проводник нагревается.
Эти столкновения служат сопротивлением движению электронов, потому свойство проводника препятствовать движению заряженных частиц и называют электрическим сопротивлением. При малом сопротивлении проводника проводник нагревается током слабо, при значительном — намного сильнее, и даже до бела, этот эффект применяется в нагревательных приборах и в лампах накаливания.
Единица изменения сопротивления — Ом. Сопротивление R = 1 Ом — это сопротивление такого проводника, при прохождении по которому постоянного тока в 1 ампер, разность потенциалов на концах проводника равна 1 вольту. Эталон сопротивления в 1 Ом — столб ртути высотой 1063 мм, сечением 1 кв. мм при температуре 0°С.
Поскольку проводникам характерно электрическое сопротивление, то можно сказать, что в какой-то степени проводник способен проводить электрический ток. В связи с этим введена величина, называемая проводимостью или электропроводностью. Электропроводность — это способность проводника проводить электрический ток, то есть величина, обратная электрическому сопротивлению.
Единица измерения электропроводности G (проводимости) — Сименс (См), и 1 См = 1/(1 Ом). G = 1/R.
Так как атомы различных веществ в разной степени препятствуют прохождению электрического тока, то и электрическое сопротивление у различных веществ разное. По этой причине введено понятие удельное электрическое сопротивление, величина которого «р» характеризует проводящие свойства того или иного вещества.
Удельное электрическое сопротивление измеряется в Ом*м, то есть сопротивление куба вещества с ребром в 1 метр. Таким же образом электропроводность вещества характеризуется удельной электропроводностью ?, измеряемой в См/м, то есть проводимость куба вещества с ребром в 1 метр.
Сегодня проводящие материалы в электротехнике используют в основном в виде лент, шин, проволок, с определенной площадью поперечного сечения и определенной длины, но не в виде метровых кубов. И для более удобных расчетов электрического сопротивления и электропроводности проводников конкретных размеров были введены более приемлемые единицы измерения как для удельного электрического сопротивления, так и для удельной электропроводности. Ом*мм2/м — для удельного сопротивления, и См*м/мм2 — для удельной электропроводности.
Теперь можно говорить, что удельное электрическое сопротивление и удельная электропроводность характеризуют проводящие свойства проводника площадью поперечного сечения в 1 кв. мм, длиной в 1 метр при температуре 20°C, это более удобно.
Лучшей электропроводностью обладают такие металлы как: золото, медь, серебро, хром, алюминий. Сталь и железо проводят ток хуже. Чистые металлы всегда обладают лучшей электропроводностью, чем их сплавы, поэтому чистая медь в электротехнике предпочтительней. Если нужно специально высокое сопротивление, то используют вольфрам, нихром, константан.
Зная величину удельного электрического сопротивления или удельной электропроводности, можно легко вычислить сопротивление или электропроводность конкретного проводника, изготовленного из данного материала, приняв в расчет длину l и площадь поперечного сечения S этого проводника.
Электропроводность и электрическое сопротивление всех материалов зависит от температуры, поскольку частота и амплитуда тепловых колебаний атомов кристаллической решетки с ростом температуры так же возрастает, соответственно возрастает и сопротивление электрическому току, потоку электронов.
При понижении температуры — наоборот, колебания атомов кристаллической решетки становятся меньше, сопротивление уменьшается (возрастает электропроводность). У одних веществ зависимость сопротивления от температуры выражена слабее, у других — сильнее. Например такие сплавы как константан, фехраль и манганин слабо меняют удельное сопротивление в определенном интервале температур, поэтому из них делают термостабильные резисторы.
Температурный коэффициент сопротивления ? позволяет вычислить для конкретного материала приращение его сопротивления при определенной температуре, и численно характеризует относительное приращение сопротивления при увеличении температуры на 1 °С.
Зная температурный коэффициент сопротивления и приращение температуры, можно легко вычислить удельное сопротивление вещества при заданной температуре.
Надеемся, что наша статья была для вас полезной, и теперь вы легко сможете вычислить сопротивление и проводимость любого провода при любой температуре.
Удельное сопротивление
Проводимость принято в физике обозначать буквой G. Эта величина характеризует возможность тела или среды проводить электрический ток. По сути, она определяет возникновение электротока под воздействием электрического поля и является параметром, обратным сопротивлению.
Упорядочено движущиеся отрицательные носители, сталкиваясь с другими частицами, замедляют своё перемещение. Часть их энергии при этом рассеивается в виде тепла, что приводит к нагреванию проводника. Так как электроны для дальнейшего движения преодолевают некое препятствие, то говорят, что проводник, в котором происходит это явление, обладает электрическим сопротивлением.
Именно поэтому, если оно у тела небольшое, то при пропускании по нему электротока происходит слабый нагрев, если же велико — материал может даже раскалиться. Величина температуры, как подсказывает логика, должна зависеть не только от количества столкновений в теле, но и от физических размеров тела. Эксперименты, проводимые в XIX веке, позволили установить зависимость сопротивления проводника от его формы и размеров: R = p * (l / S), где:
- p — удельный коэффициент;
- l — длина проводника;
- S — площадь материала.
Для сравнения удельную сопротивляемость наиболее распространённых проводников, измеренную при температуре 200С, можно привести в таблице.
НазваниеОбозначениеЗначение (10-8 Ом * м)АлюминийAl2,8МедьCu1,7СереброAg1,6НикельNi42РтутьHg96ПлатинаPt10ВольфрамW5,5ЦинкZn0,6
Эксперименты также показали зависимость электрического сопротивления от температуры. Объяснить это можно тем, что при её повышении увеличиваются колебания атомов в узлах кристаллической решётки. Это, в свою очередь, затрудняет возможность «просачивания» электронов по структуре без столкновений.
Кстати, это ещё одна особенность, отличающая проводники от диэлектриков. В последних с ростом температуры проводимость увеличивается из-за высвобождения свободных носителей. При достижении определённого значения происходит пробой, то есть резкое снижение сопротивления практически до нуля.
Суть закона Ома
В 1826 году немецкий физик и экспериментатор Георг Симон Ом выступил на собрании Лондонского королевского общества, предоставив результаты своего опыта. На основании его исследований после был сформулирован закон, названный его именем. Открытие физика позволило качественно пересмотреть явление электричества, лучше понять природу протекания тока. По сути, Ом установил зависимость между тремя электрическими величинами: током, напряжением и сопротивлением.
В 1822 году Зеебек обнаружил зависимость силы тока от температуры, а также то, что при контакте двух различных веществ при их нагреве возникает разность потенциалов. Своё открытие он использовал для создания источника электродвижущей силы. Ом, заинтересовавшись устройством, начал проводить свои опыты над различными материалами.
Суть эксперимента учёного заключалась в следующем. Он взял несколько отрезков медной проволоки разной длины и, подключая их к источнику тока, оценивал величину электричества. В качестве измерительного приспособления использовались крутильные весы. Затем медь была заменена на латунь. На основании полученных результатов Ом построил график, где по оси игрек отложил обратную величину закручивания, а по координате икс — длину проволоки.
Как для первого, так и для второго материала график зависимости представлял собой прямую линию. Таким образом, он предположил, что протекающий ток обратно пропорционально зависит от длины тела, то есть от сопротивления проводника.
На то время из-за недостаточности понимания процессов общество не могло оценить важность открытия. Некоторые учёные даже скептически воспринимали полученные результаты. Лишь только в 1835 году авторитетный французский физик Пулье смог подтвердить опытным путём исследования немецкого физика. После этого британское научное общество признало закономерность истинным природным явлением.
Определение Ома дало толчок в развитии электричества. Благодаря его закону появилась возможность управлять параметрами электроцепи, вводя в случае необходимости элементы с известным сопротивлением. В электронике они даже получили своё название — резисторы. Это элементы, обладающие известным постоянным или переменным значением величины обратной проводимости.
Проводимость
Добавлено 4 января 2021 в 17:10
Когда учащиеся впервые видят формулу общего параллельного сопротивления, возникает естественный вопрос: «Откуда эта штука?». Это действительно странная арифметика, и ее происхождение заслуживает хорошего объяснения.
В чем разница между сопротивлением и проводимостью?
Сопротивление, по определению, является мерой «трения», которое компонент представляет для прохождения через него тока. Сопротивление обозначается заглавной буквой «R» и измеряется в единицах «Ом». Однако мы также можем думать об этом электрическом свойстве с обратной ему точки зрения: насколько легко току течь через компонент, а не насколько трудно.
Если сопротивление – это термин, которое мы используем для обозначения меры того, насколько трудно току течь, то хорошим термином, чтобы выразить, насколько легко ток течет, будет проводимость. Математически проводимость – это величина, обратная сопротивлению:
Чем больше сопротивление, тем меньше проводимость; и наоборот.
Это должно быть интуитивно понятно, потому что сопротивление и проводимость – противоположные способы обозначения одного и того же важного электрического свойства.
Если сравнивать сопротивления двух компонентов и обнаружится, что компонент «A» имеет сопротивление вдвое меньше сопротивления компонента «B», то в качестве альтернативы мы могли бы выразить это соотношение, сказав, что компонент «A» в два раза более проводящий, чем компонент «B». Если компонент «A» имеет сопротивление, равное только одной трети от сопротивления компонента «B», то мы можем сказать, что он в три раза более проводящий, чем компонент «B», и так далее.
Единица измерения проводимости
В продолжение этой идеи были придуманы символ и единица измерения проводимости. Символ представляет собой заглавную букву «G», а единицей измерения был mho, что означает «ohm» (ом), написанное в обратном порядке (вы думали, что у электронщиков нет чувства юмора?).
Несмотря на свою уместность, единицы измерения mho в последующие годы были заменены единицей Сименс (сокращенно «См», или, в англоязычной литературе, «S»). Это решение об изменении названий единиц измерения напоминает изменение единицы измерения температуры в градусах стоградусной шкалы (degrees centigrade – от латинских слов «centum», т. «сто», и «gradus») на градусы Цельсия (degrees Celsius) или изменение единицы измерения частоты c. (циклов в секунду) в герцы. Если вы ищете здесь какой-то шаблон переименования, то Сименс, Цельсий и Герц – это фамилии известных ученых, имена которых, к сожалению, о природе единиц говорят нам меньше, чем их первоначальные обозначения.
Возвращаясь к нашему примеру с параллельной схемой, мы должны быть в состоянии увидеть, что несколько путей (ветвей) для тока уменьшают общее сопротивление всей цепи, поскольку ток может легче проходить через всю цепь из нескольких ветвей, чем через любую из них отдельно. Что касается сопротивления, дополнительные ветви приводят к меньшему общему значению (ток встречает меньшее сопротивление). Однако с точки зрения проводимости дополнительные ветви приводят к большему общему значению (ток протекает с большей проводимостью).
Общее сопротивление параллельной цепи
Общее сопротивление параллельной цепи меньше, чем любое из сопротивлений отдельных ветвей, потому что параллельные резисторы вместе «сопротивляются» меньше, чем по отдельности:
Общая проводимость параллельной цепи
Общая проводимость параллельной цепи больше, чем проводимость любой из отдельных ветвей, потому что параллельные резисторы «проводят» вместе лучше, чем по отдельности:
Чтобы быть более точным, полная проводимость в параллельной цепи равна сумме отдельных проводимостей:
Если мы знаем, что проводимость – это не что иное, как математическая величина, обратная (1/x) сопротивлению, мы можем перевести каждый член приведенной выше формулы в сопротивление, подставив величину, обратную каждой соответствующей проводимости:
Решая приведенное выше уравнение для полного сопротивления (вместо значения, обратного общему сопротивлению), мы получим следующую формулу:
Итак, мы, наконец, пришли к нашей загадочной формуле сопротивления! Проводимость (G) редко используется в качестве практического параметра, поэтому при анализе параллельных цепей часто используется приведенная выше формула.
Резюме
- Проводимость – параметр, противоположный сопротивлению: это мера того, насколько легко электрический ток проходит через что-то.
- Проводимость обозначается буквой «G» и измеряется в сименсах (сокр. См).
- Математически проводимость равна величине, обратной сопротивлению: G = 1/R.
Теги
Понятие об электрическом сопротивлении и проводимости
Любое тело, по которому протекает электрический ток, оказывает ему определенное сопротивление. Свойство материала проводника препятствовать прохождению через него электрического тока называется электрическим сопротивлением.
Электронная теория так объясняет сущность электрического сопротивления металлических проводников. Свободные электроны при движении по проводнику бесчисленное количество раз встречают на своем пути атомы и другие электроны и, взаимодействуя с ними, неизбежно теряют часть своей энергии.
Электроны испытывают как бы сопротивление своему движению. Различные металлические проводники, имеющие различное атомное строение, оказывают различное сопротивление электрическому току.
Точно тем же объясняется сопротивление жидких проводников и газов прохождению электрического тока. Однако не следует забывать, что в этих веществах не электроны, а заряженные частицы молекул встречают сопротивление при своем движении.
Сопротивление обозначается латинскими буквами R или r.
За единицу электрического сопротивления принят ом.
Ом есть сопротивление столба ртути высотой 106,3 см с поперечным сечением 1 мм2 при температуре 0° С.
Если, например, электрическое сопротивление проводника составляет 4 ом, то записывается это так: R = 4 ом или r = 4 ом.
Для измерения сопротивлений большой величины принята единица, называемая мегомом.
Один мегом равен одному миллиону ом.
Чем больше сопротивление проводника, тем хуже он проводит электрический ток, и, наоборот, чем меньше сопротивление проводника, тем легче электрическому току пройти через этот проводник.
Следовательно, для характеристики проводника (с точки зрения прохождения через него электрического тока) можно рассматривать не только его сопротивление, но и величину, обратную сопротивлению и называемую, проводимостью.
Электрической проводимостью называется способность материала пропускать через себя электрический ток.
Так как проводимость есть величина, обратная сопротивлению, то и выражается она как 1/R,обозначается проводимость латинской буквой g.
Влияние материала проводника, его размеров и окружающей температуры на величину электрического сопротивления
Сопротивление различных проводников зависит от материала, из которого они изготовлены. Для характеристики электрического сопротивления различных материалов введено понятие так называемого удельного сопротивления.
Удельным сопротивлением называется сопротивление проводника длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 мм2. Удельное сопротивление обозначается буквой греческого алфавита р. Каждый материал, из которого изготовляется проводник, обладает своим удельным сопротивлением.
Например, удельное сопротивление меди равно 0,017, т. медный проводник длиной 1 м и сечением 1 мм2 обладает сопротивлением 0,017 ом. Удельное сопротивление алюминия равно 0,03, удельное сопротивление железа — 0,12, удельное сопротивление константана — 0,48, удельное сопротивление нихрома — 1-1,1.
Подробнее об этом читайте здесь: Что такое удельное электрическое сопротивление
Сопротивление проводника прямо пропорционально его длине, т. чем длиннее проводник, тем больше его электрическое сопротивление.
Сопротивление проводника обратно пропорционально площади его поперечного сечения, т. чем толще проводник, тем его сопротивление меньше, и, наоборот, чем тоньше проводник, тем его сопротивление больше.
Чтобы лучше понять эту зависимость, представьте себе две пары сообщающихся сосудов, причем у одной пары сосудов соединяющая трубка тонкая, а у другой — толстая. Ясно, что при заполнении водой одного из сосудов (каждой пары) переход ее в другой сосуд по толстой трубке произойдет гораздо быстрее, чем по тонкой, т. толстая трубка окажет меньшее сопротивление течению воды. Точно так же и электрическому току легче пройти по толстому проводнику, чем по тонкому, т. первый оказывает ему меньшее сопротивление, чем второй.
Электрическое сопротивление проводника равно удельному сопротивлению материала, из которого этот проводник сделан, умноженному на длину проводника и деленному на площадь площадь поперечного сечения проводника:
R = (p x l) / S,
где — R — сопротивление проводника, ом, l — длина в проводника в м, S — площадь поперечного сечения проводника, мм2.
Площадь поперечного сечения круглого проводника вычисляется по формуле:
где Пи — постоянная величина, равная 3,14; d — диаметр проводника.
А так определяется длина проводника:
l = (S х R) / p,
Эта формула дает возможность определить длину проводника, его сечение и удельное сопротивление, если известны остальные величины, входящие в формулу.
Если же необходимо определить площадь поперечного сечения проводника, то формулу приводят к следующему виду:
S = (p х l) / R
Преобразуя ту же формулу и решив равенство относительно р, найдем удельное сопротивление проводника:
р = (R х S) / l
Последней формулой приходится пользоваться в тех случаях, когда известны сопротивление и размеры проводника, а его материал неизвестен и к тому же трудно определим по внешнему виду. Для этого надо определить удельное сопротивление проводника и, пользуясь таблицей, найти материал, обладающий таким удельным сопротивлением.
Еще одной причиной, влияющей на сопротивление проводников, является температура.
Установлено, что с повышением температуры сопротивление металлических проводников возрастает, а с понижением уменьшается. Это увеличение или уменьшение сопротивления для проводников из чистых металлов почти одинаково и в среднем равно 0,4% на 1°C. Сопротивление жидких проводников и угля с увеличением температуры уменьшается.
Электронная теория строения вещества дает следующее объяснение увеличению сопротивления металлических проводников с повышением температуры.
При нагревании проводник получает тепловую энергию, которая неизбежно передается всем атомам вещества, в результате чего возрастает интенсивность их движения. Возросшее движение атомов создает большее сопротивление направленному движению свободных электронов, отчего и возрастает сопротивление проводника.
С понижением же температуры создаются лучшие условия для направленного движения электронов, и сопротивление проводника уменьшается. Этим объясняется интересное явление — сверхпроводимость металлов.
Сверхпроводимость, т. уменьшение сопротивления металлов до нуля, наступает при огромной отрицательной температуре -273° C, называемой абсолютным нулем. При температуре абсолютного нуля атомы металла как бы застывают на месте, совершенно не препятствуя движению электронов.
Приборы для измерения силы тока
Устройство для измерения силы тока называется амперметром, помимо того, как измеряется ток. Он может быть стрелочным, цифровым и электронным. Его активно применяют в электротехнической лаборатории, автомобилестроении, точных науках и строительстве. По принципу действия он бывает электромагнитным, магнитоэлектрическим, термоэмиссионным, ферродинамическим, электродинамическим и цифровым. Он измеряет электрические токи переменного и постоянного тока.
Он работает благодаря взаимодействию магнитного поля с движущейся катушкой или сердечником, который находится в корпусе. Все типы очень просты в использовании. Все, что необходимо пользователю, – это внимательно изучить инструкцию и инструкцию по применению. Как правило, для начала измерения необходимо прикоснуться к проводнику с помощью щупов и нажать соответствующую кнопку. После этого на экране отобразится значение в амперах. Стоит подчеркнуть, что силу тока также измеряют вольтметром, мультиметром и измерительной отверткой.
Примеры типичных токов
Текущие значения можно прочитать на информационных табличках на электроприемниках или в руководствах к этим устройствам. В таблице ниже приведены типичные значения электрических токов для различных электроприемников.
ПотребительТекущая силаЭлектрический термометроколо 0,00001 мАНаушники1 мАЛампа накаливания 60 Вт0,26 АЛампа накаливания 75 Вт0,33 АХолодильник0,8 АЗарядное устройство для смартфона (быстрая зарядка)2 АПерсональный компьютер0,87 – 2,6 АСВЧ3,5 АПылесос4 – 9 ЛАСтиральная машина6-10 АЭлектроплавильная печь15000 АГромовая молния10000 – 100000 А (в среднем 36000 А)
Какие бывают виды электрического тока в быту
Форма волны токов зависит от работы источника напряжения и сопротивления среды, через которую проходит сигнал. Чаще всего на практике домашний умелец сталкивается со следующими видами:
- постоянный сигнал, генерируемый батареями или гальваническими элементами;
- синусоидальный, создаваемый промышленными генераторами частотой 50 герц;
- кнопка, образованная преобразованием различных блоков питания;
- импульс, который проникает в домашнюю сеть из-за разряда молнии в воздушных линиях электропередачи;
- произвольный.
Самый распространенный – это синусоидальный или переменный ток – от него питаются все наши устройства.
Многие полупроводниковые приборы работают в современной проводке, питающейся от синусоидального напряжения. Они обладают нелинейным сопротивлением, нарушают гармоническую форму.
Этот шум добавляется по всей цепи от конкретного потребителя до силового трансформатора, произвольно искажая идеальный синусоидальный сигнал. В результате изменяется как форма, так и величина напряжения питания.
Это может привести к созданию аварийного режима – истощению нулевого проводника в трехфазной цепи питания. Этот процесс подробно описан в отдельной статье на другом сайте.
Напряжение, ток и сопротивление
Электрическая цепь создается, когда создается проводящий путь, который позволяет электрическому заряду непрерывно перемещаться. Это непрерывное движение электрического заряда через проводники цепи называется током и часто упоминается как «поток», например поток жидкости через полую трубку.
Сила, которая заставляет носители заряда «течь» через цепь, называется напряжением. Напряжение – это особая мера потенциальной энергии, которая всегда относительна между двумя точками. Когда мы говорим об определенном количестве напряжения, присутствующем в цепи, мы имеем в виду измерение потенциальной энергии для перемещения носителей заряда из одной конкретной точки в этой цепи в другую конкретную точку. Без упоминания двух конкретных моментов термин «стресс» не имеет значения.
Ток обычно течет по проводникам с некоторой степенью трения или сопротивления движению. Эту оппозицию правильнее называть сопротивлением движению. Величина тока в цепи зависит от величины напряжения и величины сопротивления в цепи, препятствующего прохождению тока. Как и напряжение, сопротивление – это величина, измеряемая между двумя точками. По этой причине значения напряжения и сопротивления часто называют «между» двумя точками в цепи.
Вольт, ампер и ом
Чтобы иметь возможность делать осмысленные утверждения об этих величинах в цепях, нам нужно уметь описывать их количества так же, как мы могли бы количественно определить массу, температуру, объем, длину или любую другую физическую величину. Для массы мы можем использовать единицы «килограмм» или «грамм». Для температуры мы можем использовать градусы Фаренгейта или Цельсия. В таблице ниже показаны стандартные единицы измерения электрического тока, напряжения и сопротивления:
Единица измерения тока, напряжения, сопротивленияЗначение ОбозначениеЕдиница измеренияАббревиатура единицы измеренияТекущийВАмперАНапряжениеВВольтВСопротивлениеРОмОм
«Символ», присвоенный каждой величине, – это стандартная латинская буква, которая используется для обозначения этого количества в формулах. Такие стандартизированные буквы распространены во всех физических и технических дисциплинах и признаны во всем мире. «Аббревиатура единицы» для каждой величины – это буквенный знак или символы, используемые в качестве сокращения для конкретной единицы измерения.
Каждая единица измерения названа в честь известного экспериментатора в области электричества: ампер в честь француза Андре М. Ампера, вольт в честь итальянца Алессандро Вольта и ом в честь немца Георга Симона Ома.
Математический символ для каждой величины также важен. «R» для сопротивления и «V» для напряжения говорят сами за себя («Сопротивление» и «Напряжение» соответственно), в то время как «I» для тока кажется немного странным. Буква «I» означает «интенсивность» (поток заряда). Основываясь на исследовании, которое мне удалось провести, кажется, что есть некоторые разногласия относительно значения слова «я». Другой символ напряжения, «E», означает «электродвижущая сила». Символы «E» и «V» в основном используются взаимозаменяемо, хотя в некоторых текстах «E» зарезервировано для обозначения напряжения на источнике (таком как батарея или генератор), а «V» – для обозначения напряжения на любом другом элементе.
Все эти символы выражены заглавными буквами, если величина (особенно напряжение или ток) не описывается в терминах короткого периода времени (так называемые «мгновенные» значения). Например, стабильное напряжение батареи в течение длительного периода времени будет обозначаться заглавной «E», в то время как пиковое напряжение молнии, когда она ударяет по линии электропередачи, будет обозначаться строчной «e» (или строчной буквой «») v “), чтобы отметить это значение как присутствующее одновременно. То же самое соглашение для нижнего регистра применимо и к текущему: строчная буква «i» представляет текущий в некоторый момент времени. Однако большинство измерений постоянного тока, которые стабильны во времени, будут показаны заглавными буквами.
Кулон и электрический заряд
Одной из основных единиц измерения электрического тока, которую часто преподают в начале курсов электроники, но не часто используют после этого, является кулон, единица измерения электрического заряда, пропорционального количеству электронов в неуравновешенном состоянии. Один кулон заряда соответствует 6 250 000 000 000 000 000 электронов. Символом количества электрического заряда является заглавная буква «Q», а единицей измерения кулонов является «Cl». Единица измерения тока, ампер, равна 1 кулону заряда, который проходит через заданную точку в цепи за 1 секунду. В этом смысле ток – это скорость движения электрического заряда по проводнику.
Как указывалось ранее, напряжение – это мера потенциальной энергии на единицу заряда, доступной для стимулирования тока, протекающего из одной точки в другую. Прежде чем мы сможем точно определить, что такое «вольт», нам нужно понять, как измерить эту величину, которую мы называем «потенциальной энергией». Общей метрической единицей измерения энергии любого типа является джоуль, который представляет собой количество работы, совершаемой силой в 1 ньютон при перемещении на 1 метр (в том же направлении). В этих научных терминах 1 вольт равен 1 джоуля электрической потенциальной энергии, умноженной на (деленный на) 1 кулон заряда. Таким образом, 9-вольтовая батарея выделяет 9 джоулей энергии на каждый кулон заряда, который проходит через цепь.
Эти единицы и символы электрических величин станут очень важными, когда мы начнем исследовать отношения между ними в цепях.
Формула закона Ома
Главное открытие Ома заключалось в том, что количество электрического тока, протекающего через металлический проводник в цепи при заданной температуре, прямо пропорционально приложенному к нему напряжению. Ом выразил свое открытие в виде простого уравнения, описывающего взаимосвязь между напряжением, током и сопротивлением:
E = IR
В этом алгебраическом выражении напряжение (E) равно току (I), умноженному на сопротивление (R). Используя алгебру, мы можем преобразовать это уравнение в два других варианта, решив его для I и R соответственно:
Анализ простых схем с помощью закона Ома
Давайте посмотрим, как работают эти формулы, чтобы помочь нам проанализировать простые схемы:
Рисунок 1 – Пример простой схемы
В приведенной выше схеме есть только один источник напряжения (левая батарея) и только один источник сопротивления тока (правая лампа). Это позволяет очень легко применить закон Ома. Если мы знаем значения любых двух из трех величин (напряжения, тока и сопротивления) в этой цепи, мы можем использовать закон Ома для определения третьей.
В этом первом примере мы рассчитаем величину тока (I) в цепи, учитывая значения напряжения (E) и сопротивления (R):
Рисунок 2 – Пример 1. Напряжение источника и сопротивление лампы известны
Какой ток (I) в этой цепи?
Во втором примере мы рассчитаем значение сопротивления (R) в цепи с учетом значений напряжения (E) и тока (I):
Рисунок 3 – Пример 2. Напряжение и ток источника в цепи известны
Какое сопротивление (R) лампы?
В последнем примере мы рассчитываем величину напряжения, подаваемого батареей, с учетом значений тока (I) и сопротивления (R):
Рисунок 4 – Пример 3. Известны ток в цепи и сопротивление лампы
Какое напряжение питает аккумулятор?
E = IR = (2 A) (7 Ohm) = 14 B
Метода треугольника закона Ома
Закон Ома – очень простой и полезный инструмент для анализа электрических цепей. Он так часто используется при изучении электричества и электроники, что ученику приходится его запоминать. Если вы не очень хорошо умеете работать с формулами, то есть простой метод запоминания, который помогает использовать его для любого значения, зная два других. Сначала расположите буквы E, I и R в виде треугольника следующим образом:
Рисунок 5 – Треугольник закона Ома
Если вы знаете E и I и хотите определить R, удалите R из изображения и посмотрите, что осталось:
Рисунок 6 – Закон Ома для определения R
Если вы знаете E и R и хотите определить I, удалите I и посмотрите, что осталось:
Рисунок 7 – Закон Ома для определения I
Наконец, если вы знаете I и R и хотите определить E, удалите E и посмотрите, что осталось:
Рисунок 8 – Закон Ома для определения E
В конце концов вам придется научиться работать с формулами, чтобы серьезно изучить электричество и электронику, но этот совет поможет вам легче запомнить ваши первые вычисления. Если вас устраивают формулы, все, что вам нужно сделать, это зафиксировать E = IR в памяти и вычесть две другие формулы, когда они вам понадобятся!
Воздействие на человека
В большинстве случаев электрический ток – это поток электронов. Поскольку ампер является мерой количества заряда, проходящего в секунду, нетрудно подсчитать количество электронов в перенесенном заряде: 1 Кл = 6,24151 · 10 18. То есть один ампер равен потоку в 6340 квадриллионов частиц в секунду. Это колоссальная цифра, но вряд ли она показательна для сравнительного понимания, когда показатель чего-либо измеряется в амперах. Следующие ежедневные примеры помогут в этом:
- 160х10 -19 – один электрон в секунду;
- 0,7х10 -3 – слуховой аппарат;
- 5х10 -3 – луч в кинескопе ТВ;
- 150х10 -3 – портативный ЖК-телевизор;
- 0,2 – электрический угорь;
- 0,3 – лампа накаливания;
- 10 – тостер, чайник;
- 100 – пусковой для автомобилей;
- 30х10 3 – любовь с первого взгляда;
- 180х10 3 – дуговая печь для ферросплавов;
- 5х10 6 – дуга между Юпитером и Ио.
Порог летального воздействия на организм человека начинается с 18 мА. Ток, превышающий это значение и проходящий через грудную клетку, может стимулировать грудные мышцы, так что их спазмы могут вызвать полное прекращение дыхания. Еще один опасный эффект от этого вида воздействия связан с фибрилляцией желудочков. Основные факторы смертности:
- Текущая сила. Поскольку сопротивление между точками входа и выхода постоянно, закон Ома гласит, что высокое напряжение делает большую силу тока вероятной.
- Линия тока. Наиболее опасными для сердечной мышцы являются кистевые и передне-задние части грудной клетки.
- Индивидуальная чувствительность к воздействию электричества и характеристик тела (сопротивление кожи и влажность, возраст и пол, заболевания, наличие медицинских имплантатов).
- Продолжительность воздействия.
Невозможность высвободить источник также имеет большое влияние на тяжесть поражения электрическим током. При условии, что пальцы человека удерживают один из контактов под напряжением, многие взрослые не могут отпустить источник с постоянным током менее 6 мА. При 22 мА это будет возможно не для всех. Достаточно 10 мА человеку, находящемуся в воде, чтобы вызвать полную потерю мышечного контроля.
Практические измерения
Подсчитать количество электронов в проводнике с секундомером в руке практически невозможно, поэтому ток измеряется специальными приборами (амперметрами) или косвенными расчетами. Амперметры сконструированы таким образом, что они реагируют на магнитное поле, создаваемое измеряемым током. Существуют разные типы таких измерительных приборов, но все они основаны на одном принципе. Общие правила измерения силы тока можно резюмировать следующим образом:
- Амперметр всегда подключается последовательно к нагрузке; во время измерений через прибор должен протекать ток. Параллельное подключение устройства может привести к протеканию внутри него слишком больших токов, что может привести к его выходу из строя.
- Для высокоточных измерений внутреннее сопротивление прибора должно быть как можно меньше, чтобы не влиять на параметры цепи.
- Обратите внимание на тип тока (переменный или постоянный). В случае постоянного тока обязательно обратите внимание на полярность.
- Диапазон измерения должен быть как можно большим без ущерба для точности. Важно, чтобы неизмеренное значение не зашкаливало.
Могут быть случаи, когда цепь не открывается для измерений или желаемая точка в цепи труднодоступна. В таких ситуациях измерение можно проводить косвенно. Определив падение напряжения на резисторе, вы можете использовать закон Ома для определения силы тока. Косвенные измерения удобно проводить мультиметром, прибором, совмещающим в себе функции омметра, вольтметра и амперметра.
В ситуациях, когда ток слишком велик для измерения стандартным прибором, используется шунт. Самый дешевый и простой способ – подключить резистор с омметром параллельно секции. Использование трансформатора тока для измерения добавляет важное преимущество обеспечения гальванической развязки между счетчиком и цепью, в которой измеряется ток. Но в этом случае анализ возможен только для переменного тока.
Измерения тока в реальных цепях в большинстве случаев выполняются для двух целей. Основная задача измерений – проверка источника питания. Вторая функция текущего анализа – выявление неисправностей или превышение допустимой силы тока.
Выбор правильной технологии считывания важен для обеспечения правильной работы компонентов оборудования для мониторинга в пиковых и аварийных условиях. Современное развитие цифровых и компьютерных технологий значительно расширило возможности точного измерения и исследования токов косвенными методами, а полупроводниковые технологии в ближайшем будущем обещают дозировать электричество с точностью до разового заряда.
Электрический ток в различных средах
Заряженные частицы под действием приложенного напряжения перемещаются не только внутри металлов, как мы обсуждали выше на примере электронов, но и в:
- переходный слой полупроводниковых элементов;
- жидкости различного состава;
- газовая среда;
- а также внутри пустоты.
Все эти среды оцениваются по их способности проводить ток с помощью термина, называемого проводимостью. Это ответная реакция на сопротивление. Он обозначается буквой G и оценивается по проводимости, указанной в таблицах.
Электропроводность рассчитывается по формулам:
G = 1 / R = I / U
Сила тока в проводнике из металла: как используется в бытовых условиях
Способность внутренней структуры металлов по-разному влиять на условия движения прямых зарядов используется для выполнения конкретных задач.
Транспортировка электрической мощности
Для передачи электричества на большие расстояния используются металлические проводники большего сечения с высокой проводимостью: медные или алюминиевые. Более дорогие металлы, серебро и золото, работают в сложных электронных схемах.
Все виды проводов, кабелей и кабельных конструкций на их основе надежно применяются в домашней электропроводке.
Нагревательные элементы
Для нагревательных приборов используются вольфрам и нихром, обладающие высокой прочностью. Позволяет нагреть проводник до высоких температур при правильном подборе подаваемой мощности.
Этот принцип был воплощен в многочисленных проектах электронагревателей – ТЭНов.
Защитные устройства
Завышенная сила тока в металлическом проводнике с хорошей проводимостью, но с тонким сечением, позволяет создавать предохранители, используемые в качестве защиты от сверхтоков.
Они нормально работают в оптимальном режиме нагрузки, но быстро изнашиваются при скачках напряжения, коротких замыканиях или перегрузках.
Вот уже несколько десятилетий предохранители в большом количестве служат основной защитой домашней электропроводки. Теперь они заменены автоматическими выключателями. Но внутри всех блоков питания они продолжают надежно работать.
Ток в полупроводниках и его характеристики
Электрические свойства полупроводников сильно зависят от внешних условий: температуры, светового излучения.
Для увеличения собственной проводимости в структуру добавляются специальные примеси.
Следовательно, внутри полупроводника ток создается из-за собственной проводимости и примеси внутреннего pn перехода.
Носителями заряда полупроводника являются электроны и дырки. Если положительный потенциал источника напряжения приложен к полюсу p и отрицательный потенциал an, то ток будет течь через pn переход из-за движения, создаваемого ими.
При изменении полярности pn переход остается закрытым. Поэтому на изображении выше в первом случае показан яркий свет, а во втором гаснет.
Подобные pn переходы работают и в других полупроводниковых структурах: транзисторах, стабилитронах, тиристорах…
Все они рассчитаны на номинальный ток. Для этого метки наносятся прямо на их тела. По нему они входят в таблицы технических справочников и оценивают полупроводник по его электрическим характеристикам.
Ток в жидкостях: 3 метода применения
Если металлы обладают хорошей проводимостью, жидкая среда может действовать как изолятор, проводник и даже как полупроводник. Но последний случай не для домашнего использования.
Изоляционные свойства
Высокими диэлектрическими свойствами обладает минеральное масло высокой степени очистки и низкой вязкости, предназначенное для работы внутри промышленных трансформаторов.
Дистиллированная вода также обладает высокими изоляционными свойствами.
Аккумуляторы и гальванопластика
Если в дистиллированную воду добавить немного соли, кислоты или щелочи, то в результате электролитической диссоциации она станет проводящей средой – электролитом.
Однако здесь необходимо понимать: ток, протекающий в металлах, не нарушает структуру их вещества. В жидкостях же происходят деструктивные химические процессы.
Поэтому металлы принято рассматривать как проводники первого типа, а жидкости – второго.
Ток в жидкостях также создается приложенным напряжением. Например, когда положительный и отрицательный потенциалы батареи или аккумулятора подаются на два электрода, погруженных в водный раствор какой-либо соли.
Молекулы раствора образуют положительно и отрицательно заряженные частицы – ионы. В зависимости от знака заряда их называют анионами (+) и катионами (-).
Под действием приложенного электрического поля анионы и катионы начинают двигаться в сторону электродов противоположного знака: катода и анода.
Это обратное движение заряженных частиц генерирует электрический ток в жидкостях. В этом случае ионы, достигнув своего электрода, разряжаются на нем и образуют осадок.
Наглядным примером могут служить гальванические процессы, протекающие в растворе сульфата меди CuSO4 с опущенными в него медными электродами.
Ионы меди Cu заряжены положительно: это анионы. На катоде они теряют заряд и осаждаются тонким металлическим слоем.
Кислотный остаток SO4 действует как катион. Они попадают на анод, разряжаются, вступают в химическую реакцию с медью электрода, образуют молекулы сульфата меди и возвращаются в раствор.
Согласно этому принципу, благодаря ионной проводимости, все электролиты при гальванопластике работают, когда структура электродов изменяется, но состав жидкости не изменяется.
Этим методом создают тонкие покрытия из драгоценных металлов на украшениях или защитный слой различных деталей от коррозии. Сила тока выбирается исходя из скорости химической реакции, в зависимости от конкретных условий окружающей среды.
Все аккумуляторы работают по одной схеме. Только у них все еще есть способность накапливать заряд от приложенной энергии генератора и выделять электричество при разряде к потребителю.
Простая схема демонстрирует работу никель-кадмиевого аккумулятора в режиме зарядки от внешнего генератора и разрядки на приложенную нагрузку.
Ток в газах: диэлектрические свойства среды и условия протекания разрядов
Нормальная газовая среда обладает хорошими диэлектрическими свойствами: она состоит из нейтральных молекул и атомов.
Примером может служить атмосфера воздуха. Он также используется в качестве изоляционного материала на высоковольтных линиях электропередачи, передающих очень большую мощность.
Оголенные металлические провода прикреплены к опоре с помощью изоляторов и отделены от контура заземления своим высоким электрическим сопротивлением и друг от друга обычным воздухом. Так работают ВЛ всех напряжений, в том числе 1150 кВ.
Однако диэлектрические свойства газов могут быть нарушены из-за действия внешней энергии: нагрева до высокой температуры или приложения большей разности потенциалов. Только тогда происходит ионизация их молекул.
Он отличается от тех процессов, которые происходят внутри жидкостей. В электролитах молекулы делятся на две части: анионы и катионы, тогда как молекула газа во время ионизации высвобождает электрон и остается в виде положительно заряженного иона.
Как только перестают действовать внешние силы, вызывающие ионизацию газов, сразу пропадает проводимость газовой среды. Молния в воздухе – явление кратковременное, подтверждающее эту позицию.
Ток в газах, за исключением разряда молнии, можно создать, поддерживая электрическую дугу. По такому принципу работают точечные светильники и прожекторы яркого света, а также промышленные дуговые печи.
В неоновых и люминесцентных лампах используется свечение тлеющего разряда в газовой среде.
Другой вид разряда в газах, используемых в технике, – это искра. Он создается газовыми разрядниками для измерения значений высоких потенциалов.
Ток в вакууме: как используется в радиоэлектронных приборах
Латинское слово void в русском языке трактуется как недействительное. Практически создается откачкой газа из замкнутого пространства вакуумными насосами.
В вакууме нет носителей электрического заряда. Их необходимо ввести в эту среду, чтобы создать ток. Он использует явление термоэлектронной эмиссии, которое возникает при нагревании металла.
Так работают электронные лампы, в которых катод нагревается нитью накала. Освободившиеся от него электроны под действием приложенного напряжения движутся к аноду, образуя в вакууме ток.
По такому же принципу была создана электронно-лучевая трубка для ЭЛТ-телевизора, монитора и осциллографа.
Он только добавляет управляющие электроды для отклонения луча и экран, показывающий его положение.
Во всех этих устройствах ток в проводнике среды необходимо рассчитывать, контролировать и поддерживать на определенном уровне оптимального режима.
